123756 (Применение порошковой металлургии в промышленности.Свойства и получение порошковых материалов)

Введение

Порошковая металлургия занимается изготовлением металлических порошков и разнообразных изделий из них. Характерной особенностью порошковой металлургии как промышленного метода изготовления различного рода материалов является применение исходного сырья в виде порошков, которые затем прессуются (формуются) в изделия заданных размеров и подвергаются термической обработке (спеканию), проводимой при температурах ниже температуры плавления основного компонента шихты /1/.

Порошковая технология – это широкая область получения дисперсных тел, применяемых в разнообразных отраслях производства – порошковой металлургии, керамической промышленности, получении пищевых и лекарственных продуктов, удобрений, топлива, строительных материалов и др. /2/. Вследствие некоторого внешнего сходства технологии порошковой металлургии с технологией керамического производства, изделия, изготавливаемые методами порошковой металлургии, широко известны также под названием металлокерамических.

Основными элементами технологии порошковой металлургии являются следующие:

• получение и подготовка порошков исходных материалов, которые могут представлять собой чистые металлы или сплавы, соединения металлов с неметаллами и различные другие химические соединения;

• прессование из подготовленной шихты изделий необходимой формы в специальных пресс-формах, т.е. формование будущего изделия;

• термическая обработка или спекание спрессованных изделий, придающее им окончательные физико-механические и другие

• специальные свойства.

В производственной или исследовательской практике иногда встречаются отклонения от этих типичных элементов технологии, например совмещение операций прессования и спекания, пропитка пористого брикета расплавленными металлами, дополнительная механическая и другая обработка спеченных изделий и пр. Однако основной принцип технологии – применение исходной порошковой шихты и спекание ниже температуры плавления основного элемента, образующего спрессованное тело – остается неизменным /1/.

Метод порошковой металлургии обладает рядом преимуществ:

• возможность изготовления материалов, содержащих наряду с металлическими составляющими и неметаллические, а также материалов и изделий, состоящих из двух (биметаллы) или нескольких слоев различных металлов;

• возможность получения пористых материалов с контролируемой пористостью, чего нельзя достигнуть плавлением и литьем.

Наряду с преимуществами порошковой металлургии следует отметить и недостатки, затрудняющие и ограничивающие широкое ее распространение. К основным недостаткам следует отнести высокую стоимость порошков металлов и отсутствие освоенных методов получения порошков сплавов – сталей, бронз, латуней и пр. Изделия, получаемые из металлических порошков, вследствие пористости обладают повышенной склонностью к окислению, причем окисление может происходить не только с поверхности, но и по всей толщине изделия. Металлокерамические изделия обладают также сравнительно низкими пластическими свойствами (ударная вязкость, удлинение) /3/.

1 Методы изготовления порошковых материалов

Порошковый материал – совокупность частиц металла, сплава или металлоподобного соединения с размерами до 1 мм, находящихся во взаимном контакте и не связанных между собой /4/.

Все сыпучие тела состоят из частиц и межчастичных (внешних) пор. Частицы порошков, в свою очередь, могут подразделяться на более мелкие структурные элементы. Металлические частицы практически всегда содержат примеси, распределенные как по поверхности, так и в виде внутренних включений, и часто имеют внутричастичные поры.

Частицы могут иметь самую разнообразную форму. Можно подразделить различные структуры на три основные группы:

• волокнистые или игольчатые частицы, длина которых значительно превышает их размер по другим измерениям;

• плоские частицы (пластинки, листочки, таблицы), длина и ширина которых во много раз больше толщины;

• равноосные частицы с примерно одинаковыми размерами по всем измерениям.

Частицы отделены одна от другой порами (межчастичными) и контактными промежутками. Поры в непрессованных порошках занимают обычно 70-85% всего объема. Кроме пор межчастичных, порошки могут иметь и внутричастичные поры. Размер межчастичных пор увеличивается с повышением размера частиц и уменьшением плотности их укладки.

Вследствие значительного размера удельной поверхности количество поверхностных примесей на единицу массы (главным образом окислов) у порошков, особенно тонких, значительно больше, чем у компактных тел. В порошках также имеются и внутричастичные примеси – включения загрязнений, окислов и т.п. Возможно также механическое загразнение порошков отдельными частицами примесей /5/.

Производство порошка – первая технологическая операция метода порошковой металлургии. Существующие способы получения порошков весьма разнообразны – это делает возможным придания изделиям из порошка требуемых физических, механических и других свойств. Также метод изготовления порошка определяет его качество и себестоимость. Выделяют два способа получения порошков: физико-химические и механические.

К физико-химическим методам относят технологические процессы производства порошков, связанные с глубокими физико-химическими превращениями исходного сырья. В результате полученный порошок по химическому составу существенно отличается от исходного материала. К физико-химическим методам относятся: электролиз, термическая диссоциация карбонильных соединений, восстановление оксидов твердыми восстановителями и газами, метод испарения и конденсации и др.

Под механическими методами получения порошков понимают технологические процессы, при которых в результате действия внешних механических сил исходный металл измельчается в порошок без изменения его химического состава. Чаще всего используется измельчение твердых материалов в мельницах различных конструкций. К механическим методам относят: измельчение металла резанием, размол в шаровых мельницах, измельчение в вихревых мельницах, дробление в инерционных дробилках, распыление струи жидкого металла паром, водой, сжатым газом.

Более универсальными являются физико-химические методы, но в практике порошковой металлургии четкой границы между двумя методами получения порошка нет. Чаще всего в технологическую схему производства порошка включаются отдельные операции как механических, так и физико-химических методов получения порошка.

Получение металлических порошков путем восстановления из оксидов является наиболее распространенным, высокопроизводительным и экономичным методом /6/.

Восстановление – процесс получения металла, материала, вещества или их соединений путем отнятия неметаллической составляющей (кислорода или солевого остатка) из исходного химического соединения /4/.

Порошки, получаемые восстановлением, имеют низкую стоимость, а в качестве исходных материалов при их получении используются рудные концентраты, оксиды, отходы металлургического производства. Эта особенность метода восстановления обусловила его широкое практическое применение. В настоящее время этим методом получают порошки многих металлов /6/.

В общем случае химическую реакцию восстановления можно представить:

MeX + B ↔ Me + BnXm ± Q,

где Х – неметаллическая составляющая,

В – восстановитель (углерод в виде кокса, сажи, древесного угля, природных газов; Н2; СО; СО2; активные металлы) /4/.

Восстановление металлов из оксидов может производиться твердыми или газообразными восстановителями. К числу актив­ных газообразных восстановителей относятся водород, окись угле­рода и различные газы, содержащие СО и Н2. В ка­честве твердого восстановителя используют углерод и металлы, имеющие большее химическое сродство к кислороду: натрий, каль­ций и магний. Восстановление одних металлов при помощи дру­гих, имеющих большее сродство к кислороду, называется металлотермией.

Среди восстановителей углерод (благодаря низкой стоимости и простоте процесса восстановления) находит широкое примене­ние. Недостатком процесса является возможность науглерожи­вания восстанавливаемых металлов, что ограничивает этот про­цесс. Восстановление углеродом наибольшее распространение имеет при получении порошков железа, хрома, вольфрама и некоторых других металлов, а также при непосредственном полу­чении порошков из оксидов карбидов.

В связи с тем, что металлы по восстановимости оксидов раз­деляются на легко восстановимые (медь, никель, кобальт, железо, вольфрам и молибден) и трудно восстановимые (хром, марганец, ванадий, алюминий, магний), для восстановления многих окси­дов требуются более сильные по сравнению с углеродом восстано­вители. Нередко для получения порошков, не загрязненных угле­родом, например, порошков кобальта, вольфрама, молибдена, в качестве восстановителя применяется водород.

Независимо от восстановителя метод получения порошков вос­становлением является гибким процессом. Частицы порошков получаются губчатыми в виде многогранников с сильно развитой поверхностью, которые благодаря большой пористости хорошо прессуются. Размеры частиц определяются температурой восста­новления: чем ниже температура, тем мельче получаются частицы порошков.

Восстановление металлических оксидов металлами применяется только в том случае, когда восстановление углеродом или газом является невозможным или непрактичным /6/.

2 Методы контроля свойств порошков

2.1 Химические свойства

Химические свойства порошков зависят от содержания основного металла или основных компонентов, входящих в состав комплексных порошков, а также от содержания примесей, различных механических загрязнений и газов. Также важными химическими особенностями порошков являются их воспламеняемость, взрываемость и тоскичность.

Содержание основного металла в порошке или сумма основных компонентов сплава составляет обычно более 98-99%, что для последующего изготовления большинства порошковых материалов достаточно. В некоторых случаях при производстве изделий с особыми свойствами (например, магнитными) применяют более чистые металлические порошки.

Предельное количество примесей в порошках определяется допустимым содержанием их в готовой продукции. В металлических порошках содержится значительное количество газов (кислорода, водорода, азота и др.) как адсорбированных на поверхности, так и попавших внутрь частиц в процессе изготовления или при последующей обработке.

Воспламеняемость порошка связана с его способностью к самовозгоранию при соприкосновении с окружающей атмосферой, которая при относительно невысоких температурах может привести к воспламенению порошка или даже взрыву.

Пожароопасность зависит от химической природы и чистоты металла, крупности и формы частиц порошка, состояния их поверхности (пленки оксидов уменьшают пожароопасность, а шероховатость усиливает ее).

Воспламеняемость порошка зависит от того, находится ли он в свободно насыпанном состоянии (в виде аэрогеля) или в виде взвеси в окружающей атмосфере (в виде аэрозоля). Для аэрогелей определяют температуры самонагревания, тления, самовоспламенения, а также энергию воспламенения.

Взрываемость порошка. Сверхвысокие скорости химического взаимодействия порошка с кислородом приводят к почти мгновенному выделению энергии, которое сопровождается образованием и распространением взрывной волны (происходит взрыв).

Металлические порошки, располагающиеся слоем (аэрогели), не способны взрываться. Поэтому, рассматривая взрываемость порошков, имеют в виду взрываемость аэрозолей, т.е. взвеси металлических частиц в газе.

Характеристики взрываемости зависят от дисперсности металлического порошка, степени его окисленности и содержания кислорода в газовой фазе.

Токсичность порошка. Практически пыль любоко из металлов, в том числе и совершенно безвредных в компактном состоянии, воздействует на человека и может вызвать патологические изменения в его организме, фиброгенные и аллергические заболевания. Степень опасности для здоровья человека металлических пылей зависит от их химического состава и степени окисленности, размера частиц, их концентрации, длительности воздействия, путей проникновения в организм и т.д. Технологические и санитарно-технические мероприятия должны поддерживать в производственных помещениях концентрацию пыли на уровне ниже нормы ПДК /7/.

Согласно заданию дан порошок ПХ30-1, полученный методом восстановления. Его химический состав: 70% железа, 30% хрома.

2.2 Физические свойства

К физическим свойствам порошка относятся форма и размер частиц, гранулометрический состав, удельная поверхность частиц, пикнометрическая плотность и микротвердость.

Форма и размер частиц. В зависимости от химической природы металла и способа получения, частицы порошка могут иметь различную форму – сферическую (карбонильные), каплеобразную (распыленные порошки), губчатую (восстановленные), тарельчатую (при размоле в вихревых мельницах), дендритную (электролитические), осколочную (при размоле в шаровых и вибромельницах), волокнистую и лепесткововидную (получение при плющении).